基于跨层协议模型的机间自组织网络优化研究*

黄松华，赵 靖，梁维泰，徐 欣

（中国电科第二十八研究所信息系统工程重点实验室，南京 210007）

基于跨层协议模型的机间自组织网络优化研究*

黄松华，赵 靖，梁维泰，徐 欣

（中国电科第二十八研究所信息系统工程重点实验室，南京 210007）

节点高速移动、拓扑动态变化、传输质量不稳定是机间自组织网络的基本特征，空中环境的特殊性使得网络适应能力和传输效率成为机间自组织网络面临的最基本挑战。分析机间自组织网络的功能需求、传统的分层协议模型在应用过程中存在的问题，提出机间自组织网络跨层协议模型和跨层优化方法，指出研究中面临的难题和技术方向，为机间自组织网络协议设计提供参考。

机间自组织网络，动态适应性，传输效率，协议模型，分层优化

0 引言

航空平台机动性强、运行环境恶劣，机间网络的高效性、灵活性和可靠性关系到任务的顺利实现，甚至航空平台和飞行员自身的生存与否［1］。鉴于移动自组织网络的随遇接入、灵活组网和自愈抗毁等特点，自2004年引入机间网络后就引起了国内外一些研究机构，尤其是军方的兴趣，包括美国海军的Minuteman计划、美国空军起草的空中网络体系结构报告和正在开展演示验证的TTNT（Tactical Targeting Network Technology），以及美国试验中心和项目评估投资机构（CTEIP）的iNET（integrated Network Enhanced Telemetry）、德法等国研究机构联合开展的ATENAA（Advanced Technologies for Networking in Avionic Application）和悉尼大学的AANET（Aeronautical Ad Hoc Network）等项目［2-4］。

针对航空环境对诸如态势感知、指挥命令和武器协同等时敏信息的需求，机间自组织网络由于其高动态适应能力、使用灵活方便、不受地域限制等特性，特别适合航空平台组网通信，将成为未来整个空域战术互联的枢纽［5-6］。作为空天地一体化互联网络的空中部分，机间自组织网络采用基于类IP协议标准的分层网络协议模型［7-8］。然而，由于无线信道固有的不稳定性、节点高速移动和高机动带来的无线信道特征的时变性，给高动态的机间自组织网络端到端通信带来了巨大挑战，严格的层次化协议模型不仅带来性能问题，有时甚至会限制系统功能的实现［9-11］。

本文在分析机间自组织网络功能需求、传统的协议分层模型及面临技术挑战的基础上，提出机间自组织网络跨层协议模型和优化方法，指出研究中面临的问题和技术方向，为机间自组织网络协议设计提供参考。

1 技术挑战

鉴于航空平台移动特性和承担功能的差异，典型的机间自组织网络拓扑结构分骨干和子网两层，包括3类节点：骨干自组织节点（Backbone Ad hoc Node，BAN）、子网自组织节点（Subnet Ad hoc Node，SAN）和自由节点（Free Node，FN），如图1所示。

其中，骨干自组织节点承担网关功能，用于异构网链接入；子网自组织节点在接入网关节点过程中又分接入自组织节点（Access Node，AN）和内部自组织节点（Internal Node，IN）；而且，网关节点可以通过网络移动协议的无缝切换机制实现子网和自由节点的随遇接入，通过自组织方式实现子网节点和自由节点的动态互联，在拓扑时变过程中维护会话的连续性。

1.1 功能需求

骨干网由飞行速度较低、轨迹可预测的大型航空平台组成，主要用于传输大区域范围内的大容量综合业务信息，链路带宽和网络容量要求较高；子网由飞行速度较高、轨迹只能实时感知的小型高机动航空平台组成，主要用于传输编队范围内的低时延信息。一般而言，机间自组织网络的功能需求主要包括：

（1）高速数据传输能力。目前各类传感器系统已能够提供高灵敏度、高清晰的海量数据，其信息价值随时间急剧下降。如何及时有效地将这些数据回传是机间自组织网络要完成的主要任务，因此，需要支持高速数据转发和传输能力；

（3）业务演进支撑能力。随着信息系统的发展，机间自组织网络的应用业务在种类、容量、精细粒度和传输需求方面都可能发生变化，因此，务必具备同步的支撑扩展能力。

1.2 分层协议模型

用于实现自组织网络移动性管理的传统分层协议模型自上而下包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层，各层定义了特定的网络规格说明，如图2所示［12-13］。分层协议模型的主要特点是模块化，即各层协议相对独立，每一层实现一个具体服务。各层使用下层提供的服务来解决特定的问题，并向上层提供服务，相邻层间可以通过标准接口通信，但禁止非直接相邻的层间相互通信。

其中，物理层主要支持物理信号检测、同步、调制解调等功能；链路层通过接入切换、多信道管理与信道动态分配提供终端移动性支持；网络层通过自组织路由和地址映射提供网络移动性支持；传输层通过地址变换过程中的连接迁移提供端到端移动性支持；应用层提供与通信基础设施无关的业务移动性支持。

1.3 存在问题

传统的分层协议模型对于有线网络是非常成功的，但在机间移动通信环境中，由于接入冲突、信号干扰与衰落等情况比较严重，主要存在两类问题［14］。

1.3.1 动态适应能力差

分层协议模型要求协议能在最恶劣的条件下正常运行，没有空中环境、时变业务需求、高机动平台和高动态网络的适变能力，因此，网络性能波动较大，对网络服务质量保证提出了严峻挑战，甚至会突发失去基本的通信能力。

1.3.2 传输效能低

分层协议模型无法在协议栈各层间灵活共享状态信息和需求信息，每层信息的局部性决定了网络协议无法有效利用有限的频谱资源和功率资源，传输效能较低。比如，节点间由于功率控制、频率控制与路由信息的协同缺失，可能之间影响路由转发实施的有效性。

1.号召全党大兴调查研究之风，并率先垂范，推进调查研究工作有序展开。为了使调查研究之风尽快在党内恢复起来，毛泽东接连三次在全党发起号召。1961年1月13日，即中央工作会议的最后一天，毛泽东发表了以大兴调查研究之风为主旨的重要讲话。他说，“这些年来，我们的同志调查研究工作不做了。要是不做调查研究工作，只凭想象和估计办事，我们工作就没有基础。所以，请同志们回去后大兴调查研究之风，一切从实际出发，没有把握就不要下决心。”［3］233—234这次讲话可看作发起全党调查研究的动员令。

现有的自组织网络改进协议很多是单独在某一协议层进行改进，不同协议层之间没有有机结合，有的虽然跨层获取下层协议信息，但并没有从协议架构整体上进行考虑，而且没有在各层协议优化的基础上，针对各层协议的具体特点制定相应策略，因此，在高动态环境下的适应能力和传输效能依然无法满足机间自组织网络的各种业务需求［15］。

2 跨层优化

由于有线网络分层协议运行的层间弱耦合性条件在机间自组织网络环境中不再具备，需要突破严格分层协议模型在功能与性能方面的局限性。跨层优化通过在各协议层间交互状态信息和功能调用，在维持原有分层协议模型的同时协调层间工作过程，让状态信息和协同信息可以在非相邻的层间流动，以便提高动态适应能力与传输效能，使之与机间移动环境相适应，满足各种业务需求。

2.1 跨层协议模型

机间自组织网络跨层协议模型如图3所示，即在分层协议模型基础上，通过跨层总线与各层的通信接口，实现服务质量要求和网络资源状态信息的跨层流动，实现信息跨层共享、功能跨层调用与事件跨层触发、数据跨层传输等功能。同时，在应用层增加跨层管理决策功能，提供状态感知、需求配置和策略配置等基于策略的跨层优化管理能力。

●信息共享：确定共享状态变量，以“状态仓库”的方式存储各层共享状态，各层或用户通过调用跨层总线通信接口，获得所需的状态；

●跨层调用：各层或用户通过调用跨层总线通信接口，实现调用其他层提供的服务；

●跨层触发：各层或用户通过调用跨层总线通信接口，实现触发其他层的某个事件；

●跨层传输：为各层提供数据通信接口，实现数据的跨层直接传输。

在跨层协议模型中，信息的共享和反馈使得网络上的每一层都具有全局特征，网络协议在一个分层的框架上进行联合设计和集成［16］。

2.2 优化方法

2.2.1 分层能力提升

（1）物理层。机间网络采用天线分集和多天线系统，以增加瞬时传输能力，减小衰减、延时和共道干扰，或采用激光通信技术；采用软件无线电的设计思想，在同一终端支持多种无线波形，在不同的地点自动切换传输频率或信道，实现异构不同数据链的互通，并在切换时保持网络连通性。

（2）链路层。通过时隙的争用、预约、占用等过程来实现自组织组网。为了扩大网络容量，可以在同一时隙上使用多个信道来传输，结合TDMA和FDMA来支持更多的节点在网络中同时发送。但是，如何在机间网络中实现多信道TDMA协议，通过时隙和信道的动态分配以获得更高的吞吐量是目前研究的难点。

（3）网络层。结合先应式和后应式两种策略提供灵活和高效的路由，通过使用先应路由来减小连接建立的时间，采用按需路由的方式寻找区域之外目的节点的路径，减少网络中控制信息传输的负荷。路由判断综合考虑报文的服务质量需求、路由的稳定性、源节点的服务级别和节点间链路性能作出最优的选择。

（4）传输层。针对不同应用服务对传输层的传输能力提出的各种需求，基于分段/逐跳握手确认、握手纠错、握手不确认、确认不握手等机制提供多种传输模式，并进行早期拥塞检测，感知丢包原因，实施流量控制、流量缓存、断点续传等适应动态网络的QoS保障和管控机制。

（5）应用层。在制定业务信息标准的基础上，针对时域、空域、信息类型、权限等需求属性设计相应的信息分发和过滤机制，提供资源监管控、服务质量管理、域名服务、时钟/定位等网络高效运行所必不可少的服务。

由于航空平台高速移动、拓扑频繁变化和带宽受限会使无线链路产生不可忽略的传输时延，从而影响网络的性能，因此，路由协议必须使用特殊的算法在更短的时间内获取路径的可用信息，并以最小的负荷获取节点移动引起的拓扑变化。同样，网络协议和数据结构的设计应避免过多消耗无线频率有限的带宽容量。

2.2.2 跨层优化

机间自组织网络跨层架构可采用层间直接通信，逐级上报底层消息和事件的机制，也可建立共享数据库用于不同协议层间传递状态信息。依靠层间通信实现跨层信息交互，需要改变每个协议层原有的设计和运行，风险大且不易扩展。建立共享数据库是引入一个能被所有层连接的通用数据库，适用于垂直校准跨层设计，对原有的分层模型修改比较小。但以上两种方案均需要对原有分层协议进行修改，扩展性和灵活性不足。因此，可以借鉴传统硬件设计中总线的思想，提出协议层间消息传递和协同控制的统一架构，即不同协议层遵循跨层总线的接口标准，跨层通信和控制通过跨层总线进行仲裁和交换，实现快速跨层协同优化，而且支持灵活扩展。

（1）面向应用层优化。基于身份标识和业务属性，向下层提出业务数据量、数据丢失率、传输时延等业务传输质量要求，并基于底层的信道状态信息的跨层事件触发，自适应调整工作方式、发送速率与业务传输要求。基于底层信息的业务自适应机制可以提高网络的整体性能和管控灵活性。

（2）面向传输层优化。采用跨层思想，一方面感知业务的传输质量需求，自动选择与之相适应的传输模式，调整传输窗口大小；另一方面，将传输控制与链路稳定性、路由切换结合，基于链路生存时间概率信息和路由稳定性来实现对端到端连接稳定性的认知，在链路中断条件下跨层触发机制提供提前预判和及时处理的能力［16］。通过跨层机制可以改进MAC层的接入信道公平性、检测虚假链路失效、减少路由失效次数、加快路由切换后的重启动［17］。

（3）面向网络层优化。跨层感知航空平台的位置信息和航空平台间准确的链路生存时间概率，基于平台位置信息，采用链路生存时间概率优先与端到端跳数最小相结合的路由策略，在建立足够稳定的端到端连接的前提下同时保证了较小的跳数［18］。在当前拓扑与链路波动时，提前触发新路由查找，并在建立更稳定的路由之后主动切换到新路由，以保证动态环境下端到端连接的持续性。

（4）面向链路层优化。跨层感知业务对时延、误码率等传输质量方面的需求，以据此安排优先处理顺序、自动选择与之相配的调制、纠错和校验机制。

（5）面向物理层优化。依据应用层业务的不同需求，调整物理层特性，而链路层根据需求进行功率控制等功能跨层调用，可以改善物理层性能。

（6）面向效果优化。跨层协议模型下，可以整体联合功率控制与单跳传输距离调整跨层功能调用、应用层－链路层跨层数据封装直传，满足低时延业务传输需求。与之相反，在时延要求不高时，可以通过降低功率，增加跳数和频率复用度，提升链路带宽和机间自组织网络容量。

另外，面向移动性管理，网络优化还可以通过网络层移动IP协议、网络移动协议、应用层SIP协议及传输层SCTP协议的结合，提供更强的移动性支持和更高效的移动传输能力［13］。

3 结论

随着航空运输业的发展和空域军事对抗的加剧，建立一个高效、灵活、抗毁的机间自组织网络日益成为未来民航和空战的必然需求。本文在分析机间自组织网络功能需求、传统的协议分层模型及面临技术挑战的基础上，提出了机间自组织网络跨层协议模型及优化方法，指出研究中面临的问题和技术方向，对于指导未来机间自组织网络建设具有重要的意义。

［1］张勇涛，黄臻，熊华钢.基于传输性能降级约束的机载网络可靠性研究［J］.航空学报，2011，32（8）：1461-1468.

［2］石丛军，任清华，郑博.航空自组网节点密度与组网概率分析［J］.通信技术，2008，41（5）：69-71.

［3］USAF Airborne Network Special Interest Group.Airborne network architecture-system communications description&technical architecture profile［R］.2004：Version 1.1.

［4］郑博，张衡阳，黄国策，等.航空自组网的现状与发展［J］.电信科学，2011，30（5）：38-47.

［5］黄松华，王睿，梁维泰，等.机间自组织网络安全保障模型［J］.现代防御技术，2015，43（5）：99-103.

［6］陈植林，蔡晓霞，陈红，等.面向战术互联网子网路由协议与网络业务的仿真分析［J］.火力与指挥控制，2016，41（1）：165-168.

［7］郝飞.美国空军指挥控制星座网近期发展概况［J］.指挥信息系统与技术，2010，1（2）：29-33.

［8］和欣，张晓林.机载网络中武器协同数据链组网体制［J］.指挥信息系统与技术，2011，2（3）：19-22.

［9］CETINKAYA E K，ROHRER J P，JABBAR A，et al.Protocols for highly-dynamic airborne networks［C］//Proceedings of MobiCom，Istanbul，Turkey.2012：411-413.

［10］ROHRER J P，JABBAR A，CETINKAYA E K，et al.Highly-dynamic cross layered aeronautical network architecture［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System，2011，47（4）：1-34.

［11］ROHRER J P，JABBAR A，PERRINS E，et al.Cross layer architectural framework for highly mobile multihop airborne telemetry networks［C］//Proceedings of IEEE Military Communications Conference，San Diego，2008：1-9.

［12］陈山枝，时岩，胡博.移动性管理理论与技术的研究［J］.通信学报，2007，28（10）：123-133.

［13］徐雪飞，甘忠辉，刘芸江.基于地理信息的航空自组网路由协议综述［J］.电讯技术，2011，51（5）：133-138.

［14］张海霞，袁东风，马艳波.无线通信跨层设计——从原理到应用［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［15］孙杰，郭伟.MANET中基于链路稳定性路由的跨层传输控制协议［J］.软件学报，2011，22（5）：1041-1052.

［16］韩冰青.移动Ad Hoc网络中资源分配及跨层技术研究［D］.南京：南京理工大学，2010.

［17］徐伟强，汪亚明，俞成海，等.移动Ad Hoc网络的跨层优化拥塞控制［J］.软件学报，2010，21（7）：1667-1678.

［18］孙杰，郭伟.适用于分段运动模式的基于链路维持概率的跨层路由协议［J］.通信学报，2010，31（10）：48-57.

Research on Optimization for Intra-flight Ad Hoc Networks Based on Cross-Layer Protocol Model

HUANG Song-hua，ZHAO Jing，LIANG Wei-tai，XU Xin
（National Key Lab of Information Systems Engineering，The 28th Research Institute of CETC，Nanjing 210007，China）

With high-speed nodes，dynamic topology，and fluctuant transmission quality，intraflight ad hoc networks are always challenged by the lack of flexibility and efficiency under aerial environment.After analyzing the requirements of intra-flight ad hoc networks，and the deficiency of traditional hierarchical protocol model，this paper proposes a cross-layer protocol model and its optimization approaches，and indicates the problems encountered and technology directions，providing references for protocol design of intra-flight ad hoc networks.

intra-flight ad hoc networks，flexibility，efficiency，protocol model，layered optimization

TP393

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.03

1002-0640（2017）11-0010-04

2016-09-13

2016-11-09

国家自然科学基金（61402426）；国家“十二五”重大预研基金资助项目（4020404）

黄松华（1979- ），男，江苏海门人，博士，高级工程师。研究方向：C4ISR系统总体技术、移动计算和服务质量。